Sciencemag.cz
Doporučujeme
Jak z grafenových nanovrstev udělat „makroskopický“ materiál, který by byl současně pevný, pružný a zachovával si i specifické vlastnosti struktury 2D? Vědci nyní navrhují kompozitní materiál, kde jsou grafenové nanovrstvy propojeny pomocí roztažitelných přemosťujících struktur.
Unikátní vlastnosti grafenových nanovrstev se často ztrácejí, když se vrstvy skládají na sebe, protože je drží pohromadě jen relativně slabé interakce – především vodíkové vazby. Přístupy, které se snaží zlepšit mechanické vlastnosti grafenových fólií zavedením silnějších interakcí, byly dosud úspěšné jen částečně, což ponechává prostor zejména pro zlepšení pružnosti a pevnosti materiálů.
Xuzhou Yan z Shanghai Jiao Tong University a jeho kolegové zvolili nový přístup: zesíťovat grafenové nanovrstvy mechanicky propojenými molekulami, jejichž stavební bloky nejsou chemicky propojeny, ale spíše neoddělitelně prostorově propleteny. Výzkumníci se rozhodli použít jako pojítka rotaxany.
Rotaxan je „kolo“ (velká molekula ve tvaru prstence) navlečené na „osu“ (molekulární řetězec). Objemné skupiny uzavírají osy, aby se kola nemohla rozplést. V nové studii vědci vytvořili osu s elektricky nabitou skupinou (amonium, NH4+), která drží kolo ve specifické poloze.
Molekulární „kotva“ (skupina OH) byla připojena k ose i kolu pomocí speciálního linkeru. Grafen byl zoxidován na oxid grafenu, který na obou stranách vrstvy grafenu vytváří různé skupiny obsahující kyslík. Mezi ně patří karboxylové skupiny, které se mohou vázat na OH skupiny (esterifikace). Tato reakce umožňuje, aby kolo a osa vzájemně propojily vrstvy, načež byl oxid grafenu zredukován zpět na grafen.
Při natahování nebo ohýbání těchto vrstev je třeba překonat přitažlivé síly mezi kolem a skupinou NH4+ na ose, což zvyšuje pevnost v tahu. „Zvýšené napětí nakonec způsobí, že se osa protáhne kolem, až narazí na koncovou čepičku. Tento pohyb prodlužuje rotaxanové můstky, což umožňuje vzájemné klouzání vrstev a výrazně zvyšuje roztažitelnost filmu,“ praví dále průvodní tisková zpráva.
Ohebné elektrody vyrobené z této grafen-rotaxanové fólie by mohly být nataženy až o 20 % nebo opakovaně ohýbány, aniž by se poškodily. Zachovaly si také vysokou elektrickou vodivost. Pouze protažení o více než 23 % vedlo k prasknutí. Nové fólie byly podstatně pevnější než fólie bez rotaxanu a také pružnější a houževnatější.
Chunyu Wang et al, A Stretchable and Tough Graphene Film Enabled by Mechanical Bond, Angewandte Chemie International Edition (2024). DOI: 10.1002/anie.202404481
Zdroj: Wiley / Phys.org
